基于贴片天线的宽带天线系统的制作方法

本申请一般涉及无线通信系统。更具体地，本申请涉及适于增加贴片天线的频率响应和增益的装置。

背景技术：

在此提供的背景描述是为了一般地呈现本公开的上下文。在本背景部分中描述的当前指出姓名的发明人的工作所进行的程度以及本说明书的在提交时不可以其它方式作为现有技术的多个方面，针对本发明既没有明显地也没有隐含地承认作为现有技术。

低成本的无线芯片组允许开发低成本无线通信设备。此类通信设备已经被无线互联网服务提供商部署用于为位于遥远的服务低下的区域中的消费者提供对互联网的访问。期望提高此类无线设备的效率和范围以部分增加覆盖范围来降低每个用户的成本。

技术实现要素：

为了解决提高低成本无线通信设备的操作效率的需要，在此公开了用于提高天线系统的频率响应的装置，该天线系统可与低成本无线通信设备一起使用。

根据一个方面，公开了被配置用于辐射对应于来自第一频率范围的rf信号的射频(rf)能量的设备。设备包括贴片天线组件、收发器和中心馈送组件。贴片天线组件包括设置在印刷电路板上的微波传输带和贴片天线。微波传输带(microstrip)与贴片天线的输入电耦接。贴片天线被配置用于以第一功率级辐射对应于来自第一频率范围的rf信号的rf能量并且以第二功率级辐射对应于来自第二功率范围的rf信号的rf能量。第二功率级大于第一功率级。发射机被配置用于在发射机的输出处生成来自第一频率范围的rf信号。发射机的输出与微波传输带电耦接。中心馈送组件包括波导、透镜和设置在波导中的贴片天线组件。中心馈送组件被配置用于以大于第一功率级的功率级从透镜辐射对应于来自第一频率范围的rf信号的射频(rf)能量。

在回顾以下附图、详细描述和权利要求时，其它特征和优点将变得显而易见。此外，公开了其它实施例，并且每个实施例可单独或组合在一起使用。现将参考附图描述示例性实施例。

附图说明

图1例示了可包括示例性天线系统的实施例的示例性无线通信系统。

图2为可连接到示例性天线系统的实施例的示例性通信设备的方框图。

图3a例示了可适配有示例性贴片天线的示例性结构。

图3b例示了适合于连接到无线通信设备的示例性贴片天线结构。

图3c例示了示例性贴片天线结构的底视图和顶视图。

图4a例示了适合于接收图3c的示例性贴片天线结构的示例性中心馈送组件的横截面视图。

图4b例示了图4a的拆解的中心馈送组件的正交图。

图5例示了用于与示例性中心馈送组件一起使用的示例性波导-透镜组合的尺寸。

图6例示了适合于与无线通信设备仪器使用的示例性天线系统。

图7例示了示例性天线系统的横截面视图。

图8a和图8b为示例性天线系统的透视图。

图9例示了可用于示例性天线系统中的示例性保持器夹头和保持器夹头盖。

图10例示了与示例性夹头匹配的示例性保持器夹头的横截面视图。

图11例示了与保持器夹头盖匹配的保持器夹头。

图12例示了示例性无线设备的若干元件和示例性天线系统的元件的频率响应。

具体实施方式

在此所述的设备和系统提高了通信系统的设备之间的无线通信，诸如图1的示例性通信系统100。特别地，此类设备和系统提高了由无线通信设备的天线对射频(rf)信号的辐射和接收。一般来讲，天线将撞击在天线上的所接收的能量转换成电rf信号并且然后将电rf信号转换成从天线辐射或传输的能量。本文所述的设备可提高天线的频带宽度。

作为示例而非限制，通信系统100包括接入点(ap)102和若干用户模块(sm)104至108。在一个实施例中，接入点102被配置用于经由有线连接112建立到网络110的通信信道。接入点102可经由通信信道将数据传输到连接到网络110的其它设备并且从连接到网络110的其它设备接收数据。web服务器112为可经由通信信道将数据传输到接入点102或从接入点102接收数据的连接到网络110的示例性设备。通信信道可经由有线连接根据通信协议诸如电气和电子工程师协会(ieee)802.3、ieee802.5和带有网络110的光纤分布式数据接口(fddi)来操作。数据的传输和接收可根据联网协议诸如传输控制协议/互联网协议(tcp/ip)来进行。接入点102还被配置用于与sm104至sm108建立无线通信信道114。无线通信信道114可根据无线通信协议来操作。ieee802.11n为适用合于与通信系统100一起使用的示例性无线通信协议。

sm104至sm108也类似地被配置用于建立相应的有线通信信道和无线通信信道。在一个实施例中，sm104被配置用于经由有线连接122与用户设备诸如计算机120建立通信信道。在该实施例中，sm106被配置用于经由有线连接126与交换机124建立通信信道。sm108被配置用于经由有线连接130与无线路由器128建立通信信道。

例如，ap102和sm104作为交换机操作，该交换机经由例如在ap102与sm104之间建立的无线通信信道114将连接到sm例如计算机120的设备通信耦接到网络110。这使计算机120能够与例如web服务器112进行数据通信。

接入点102可包括对接收自网络110的数据进行解码并且将所接收的数据编码和格式化成表示数据的rf信号的电路系统。例如，所接收的数据可用于调制载波，其中已调载波被施加到天线132。天线132可使表示rf信号的能量经由通信信道114以预定的功率级传输。例如，sm104的天线134可接收传输的能量并将该能量转换成表示数据的rf信号。然后，sm104中的电路系统可将rf信号解调和解码成由ap102从网络110接收的数据。然后，经解码的数据可经由有线连接122被传输到计算机120。

类似地，sm104可包括对接收自计算机120的数据进行解码并且将所接收的数据编码和格式化成代表数据的rf信号的电路系统。天线134可使表示rf信号的能量经由通信信道114以预定的功率级辐射。例如，ap102的天线132可接收辐射的能量并将该能量转换成表示数据的rf信号。然后，ap102中的电路系统可将rf信号解码成由sm104从计算机120接收的数据。ap102可分析数据以识别数据的目的地。ap102可将数据转发给网络110上的适当设备，例如web服务器112。

由例如接入点102生成的rf信号可具有一定的频率范围。通常，该范围的最小频率与最大频率之间的差对应于无线通信信道的频带宽度。通常，rf信号的频率范围、其功率级和数据到rf信号的编码由无线通信协议限定。

天线增益、效率和频带宽度为天线例如天线132的示例性操作参数。频带宽度描述天线132可适当地辐射或接收能量的频率范围。天线的效率效率涉及由ap102递送到天线132的功率和在天线132内辐射或耗散的功率。天线增益描述了在峰值辐射方向上传输了多少功率。在优选实施例中，天线132可对应于贴片天线。贴片天线(也称为矩形微波传输带天线)为具有低轮廓类型的无线电天线，该无线电天线可安装在平坦的表面上。它可由扁平的矩形金属片材或金属“贴片”组成，其安装在被叫做接地平面的较大金属片材之上。金属贴片对应于辐射表面。在实施例中，接地平面可沉积在印刷电路板上。在实施例中，本文所述的设备可提高贴片天线的增益、效率效率和频带宽度。

图2为示例性设备200的方框图，该示例性设备200可包括提高天线系统的增益、效率和频带宽度中的任何一个或全部的结构。在实施例中，无线设备200可对应于图1的ap102。

在实施例中，设备200包括芯片上系统(soc)202、全球定位系统(gps)接收器204、电源206、随机存取存储器(ram)208、只读存储器(rom)210、以太网物理层(phy)212、收发器214、阻抗网络216和天线系统218。在其它实施例中，相对于图2所示的那些，设备200可包括附加的、不同的或更少的部件。所例示的实施例仅旨在为示例性的。

在实施例中，芯片上系统(soc)202被配置用于操作设备200。在该实施例中，soc202可从网络处理器110(图1)接收数据，并且可根据无线协议将所接收的数据格式化并生成编码数据的rf信号。例如，可通过生成的rf信号的相位和振幅来编码数据。在示例性实施例中，soc202可实施合适的调制方案来编码数据。qualcommatheros802.11nar9350为根据802.11无线通信协议生成rf信号的示例性soc。

在示例性实施例中，只读存储器(rom)210可适于存储软件指令，当由处理器202执行软件指令时，该软件指令使设备200从网络110和无线通信信道114接收并且将数据传输到网络110和无线通信信道114。随机存取存储器(ram)208存储用于由其它部件诸如soc202访问的数据和软件指令。

全球定位系统(gps)接收器204被配置用于接收由gps卫星传输的gps信号，并且基于包含在所接收的gps信号中的信息来生成设备200的位置信息。以太网phy212被配置用于接收表示来自网络110的数据的符合ieee802.3协议的电信号，并且将电信号转换为数据的数字表示。以太网phy212还被配置用于接收来自soc202的数字数据，并且将所接收的数字数据转换为遵从ieee802.3标准的电信号，该电信号可被传输到网络110。在示例性实施例中，以太网phy212可电耦接到rj45连接器。

电源206被配置用于生成操作装置200所需的各种电源电压。在实施例中，电源206可以包括例如变压器、整流器、滤波器和稳压器。在该实施例中，电源202适于接收例如120v，60hz的ac电压，以及将ac电压转换为例如5v和3.3v的一个或多个dc电压。在另一个实施例中，电源206可接收处于一个电压电平例如24v的dc电压，并且将dc电压转换为例如5v和3.3v的一个或多个其它dc电压。在优选实施例中，可经由rj45连接器接收dc电压。本领域的技术人员将把这认作以太网供电(poe)配置。

收发器214包括接收器链、发射机链和传输/接收交换机216。接收器链包括带通滤波器(bpf)220和低噪声放大器(lna)222。发射机链包括带通滤波器224和功率放大器226。

交换机216将接收器链或发射机链中的一个连接到阻抗网络218。在示例性实施例中，收发器214以半双工模式操作。在该操作模式中，当设备200经由无线通信信道214接收rf信号(收听)时，设备200不传输。类似地，当设备200经由无线通信信道214传输rf信号(通话)时，设备200不可传输数据。

在实施例中，soc202通过控制交换机216的操作操作来控制半双工操作。例如，为了从无线通信信道114接收rf数据，soc202如此操作交换机216，使得天线系统218的输出经由lna222和bpf220电连接到soc202的输入。如先前所讨论的，天线系统228可将所接收的能量转换成rf信号。lna222可放大所接收的rf信号。bfp220可对频率在所需频率范围之外的频率进行滤波。然后，soc202可解调和解码经滤波的rf信号以恢复数据。

为了使数据传输，soc202可操作交换机216以经由bpf224、功率放大器226在soc202的输出和天线系统218之间创建电路径。sc202可生成对应于经由无线通信信道214传达的数据的rf信号。bpf224可对rf信号进行滤波以去除不需要的频率的rf信号。功率放大器226可放大经滤波的rf信号，并且天线系统218可将经放大的rf信号作为能量辐射。

在示例性实施例中，设备200可被配置用于合成频率范围从5.2千兆赫(ghz)到5.9ghz或其任何子集内的rf信号。合成的rf信号编码要经由无线通信信道传输的数据。在优选实施例中，天线系统228可包括贴片天线。贴片天线可独立地适于接收和辐射来自频率范围从5.7ghz到5.9ghz的rf信号的能量。个别地，贴片天线可为频率在5.7ghz至5.9ghz范围内的rf信号提供8dbi的增益。合适的贴片天线公开于美国专利公开2014/0035786，其全部内容以引用方式并入本文。

图3a和图3b例示了供在天线系统218中使用的差分贴片天线组件300的优选实施例。在该实施例中，图2的收发器214被配置用于分别将差模rf信号传输到天线系统218并且从天线系统218接收差模rf信号。差模信令为用在两根成对的电线上发送的互补信号来传输信号的方法。还可预期合适的单模贴片天线组件来实现本文公开的所公开的天线系统的优点。

差分贴片天线组件300包括两个导电电缆302和304。导电电缆302和304的端部306和308分别可适配有适合于与设置在设备200(图2)上的接收连接器机械匹配和电匹配的连接器。接收连接器可电连接到交换机216的公用终端。导电电缆302和304的端部310和312可分别连接到设置在印刷电路板318上的微波传输带314和316。微波传输带是一种类型的可使用印刷电路板技术制造的电力传输线，并且用于传送频率信号。它由通过被称为基底的电介质层与接地平面分开的导电条组成。微波传输带作为阻抗匹配设备操作。在实施例中，微波传输带提供了用于提高在天线系统的期望频率范围内从接收连接器到贴片天线终端的功率传递的装置，否则该天线系统的将由贴片天线的频率范围唯一限制。预期了在期望的频率范围内的阻抗匹配和提高功率传递的其它方法。

在优选实施例中，微波传输带314和316连同以下所述的天线系统218的元件可考虑到来自频率范围从5.2千兆赫(ghz)到5.9ghz的rf信号的能量的发射和接收。个别地，以下所述的天线系统218的元件可为频率范围从5.2千兆赫(ghz)到5.9ghz的rf信号提供在20dbi与28dbi之间的增益。

金属板320的两个突片(未示出)可连接到微波传输带314和316。金属板320构成差分贴片天线组件300的辐射表面。由设备200生成的rf信号可经由导电电缆302和304耦接到金属板320。通过rf信号激发金属板320使差分贴片天线组件300从金属板320的辐射表面322辐射能量。

图3c为示例性贴片天线的底视图350和顶视图360。导电电缆302和304的端部310和312各自可分别在连接点324和326处连接到微波传输带314和316。

图4a为中心馈送组件400的横截面视图并且图4b为中心馈送组件400的正交分解图。在实施例中，中心馈送组件400可构成天线系统228的一部分。在实施例中，包括中心馈送组件400的元件包括中空的圆形馈送圆筒402、馈送圆筒盖404、底座支撑406、贴片天线组件408和电缆盖410。这些元件的特性分别地以及与中心馈送组件400结合可提高示例性贴片天线的增益、效率和频带宽度。贴片天线408可对应于差分贴片天线组件300(图3)。中空的圆形馈送圆筒402充当圆形波，并且馈送圆筒盖404作为贴片天线组件408附近的rf能量的透镜操作。

在实施例中，用由设备200生成的rf信号来激发贴片天线组件408使贴片天线组件408的辐射表面412将能量辐射到中空的圆形馈送圆筒402的腔416中。离开腔416的能量被馈送圆筒盖404分散。

图5例示了可与例如图3的差分贴片天线组件300一起使用的示例性波导-透镜组合500。波导-透镜组合500可对应于中空的圆形馈送圆筒402和馈送圆筒盖404。以毫米(mm)为单位的示例性波导-透镜组合500的尺寸描绘于图5。在实施例中，包括中心馈送组件400的天线系统可与适贴片天线一起使用，中心馈送组件400包括波导-透镜组合500，该贴片天线适于接收和辐射来自频率范围从5.7ghz到5.9ghz的rf信号的能量。所得的天线系统可能够接收和辐射来自频率范围从5.7ghz到5.9ghz的rf信号的能量。

图6例示了示例性天线系统600的分解图。在实施例中，天线系统600可对应于图2的天线系统218。示例性天线系统包括中心馈送组件602、抛物面天线604和次级反射器606。在实施例中，中心馈送组件602可对应于中心馈送组件400。在优选实施例中，中心馈送组件400的中空的圆形馈送圆筒402和馈送圆筒盖404可对应于波导-透镜组合500。此外，中心馈送组件602可包括差分贴片天线组件300。

抛物面天线604为使用抛物面反射器来分散能量的天线。抛物面反射器以具有抛物线横截面形状的弯曲表面为特征。抛物面天线的圆周边缘608可被折叠以形成具有圆形轮廓的边缘。示例性抛物面天线可购自精密塑料制品股份有限公司(preciseplasticco.,ltd)。

次级反射器606包括面板610、曲线金属支腿612和底座圈614。面板610、曲线金属支腿612和底座圈614形成半球形形状。在优选实施例中，面板不是共面的而是反向渐缩到进入以半球形形状的假象表面为边界的体积的内部中的点。

面板610、曲线金属支腿612和底座圈614可由合适的金属构造并且涂覆有非导电性漆。曲线金属支腿612可被锡焊或焊接到面板610的圆周上的接触点。曲线金属支腿612的其它端部可被锡焊或焊接到底座圈614上的接触点。作为示例而非限制，曲线金属支腿612与面板610的圆周之间的接触点位于距另一个曲线金属支腿312与面板610的圆周之间的邻近接触点距离相等的位置。

抛物面天线604可被固定到支撑结构(未示出)。支撑结构也可支撑设备200。在实施例中，包括螺钉616、拆分锁垫圈618和垫圈620的总成装配可用于将抛物面天线604的底座固定到支撑结构。支撑结构可设置有螺纹孔。螺钉616可被拧入到螺纹孔中的一个中。在优选实施例中，作为示例而非限制，三个此类总成装配可用于将抛物面天线604的底座固定到支撑结构。

次级反射器606的底座圈614的圆周可与圆周边缘608对齐并且使用保持器夹头622和保持器夹头盖624来固定。若干组的保持器夹头和对应的保持器夹头盖可用于将次级反射器606的底座圈614的圆周与圆周边缘608固定。

差分贴片天线组件300的导电电缆626可耦接到设备200的输出。由设备200生成rf信号可经由导电电缆626耦接到差分贴片天线组件300。如先前所讨论的，差分贴片天线300的辐射表面可以对应于由设备200生成的rf信号的频率的频率辐射能量。能量可被辐射到中心馈送组件602的中空的圆形馈送圆筒402中。作为透镜操作的馈送圆筒盖404可将辐射的能量指引朝向次级反射器606的面板610，如由箭头的方向所指示的。面板610可将能量反射朝向抛物面天线604的内表面。然后能量可被反射远离抛物面天线604，如由箭头的方向所指示的。

图7为图6所例示的组装的天线系统600的横截面视图700。图8a和图8b为图6所例示的天线新系统的透视图。图8a中例示了用于将次级反射器606的底座圈的圆周附接到抛物面天线604的圆周边缘608的四个保持器夹头622和保持器夹头盖624。图8b例示了组装的天线系统600。

图9例示了示例性保持器夹头622和保持器夹头盖624。在实施例中，保持器夹头622可由金属诸如涂覆有耐蚀涂层的钢或不锈钢构造。保持器夹头622包括一对弯曲构件902和904。可选择弯曲构件902和904的曲率，以便确保当保持器夹头与底座圈614啮合时最大限度与底座圈614接触。

保持器夹头622还包括一对支腿906和908。每个支腿可设置有突片910和912。支腿的宽度可对应于切入抛物面天线604的圆周边缘608中的开口的宽度，以便支腿可与抛物面天线的圆周边缘啮合。突片910和912可与支腿906和908形成相应角度。突片可被构造成使得，当在支腿908的方向上向例如突片912的自由端916施加压力时，突片912可向下朝向支腿908弯曲。当去除压力时，突片912可返回到其原始位置。抛物面天线604可沿圆周边缘608设置有狭缝或切除部分。当使用保持器夹头622和保持器夹头盖624时，支腿和突片可穿过这些狭缝。

在示例性实施例中，保持器夹头盖624可由非导电材料构造。保持器夹头盖624设置有两个腔918和920。腔的尺寸被设定为容纳保持器622的支腿和对应的突片。每个腔可设置有相应的凹口922和924。凹口922的宽度可对应于突片的宽度。凹口922可用作突片912的导引器。在使用保持器夹头622和保持器夹头盖624将底座圈612和圆周边缘608保持在一起时，支腿和突片可穿过这些狭缝。

图10例示了与保持器夹头盖624配合的保持器夹头622的横截面视图1000。保持器夹头盖624的主体1002设置有悬垂部分1004。当保持器夹头622的支腿908被推动到保持器夹头盖624的腔918中时，突片912的上表面接触悬垂部分1004的边缘。随着支腿908前进到腔918中，悬垂部分1004向突片912施加下向力，使得它向下朝向支腿908弯曲。一旦自由端916前进通过悬垂部分1004，它就迅速回到其原始状态并且被锁定在悬垂部分1004后面的适当位置。在这种状态下，抛物面天线604的圆周边缘608可被次级反射器606的底座圈614推动抵靠保持器夹头盖624的主体。底座圈614可被弯曲构件902推动朝向抛物面天线604的圆周边缘608。

图11例示了与保持器夹头盖624配合的保持器夹头622，其中保持器夹头622的弯曲构件902和904以及保持器夹头盖624分别将底座圈614和抛物面天线的圆周边缘608夹在一起。保持器夹头622的突片910和912以及支腿906和908通过沿圆周边缘608设置的狭槽滑入保持器夹头盖624的腔918和920中。如先前所讨论的，突片910和912对腔的相应内壁施加外向力。该外向力将保持器夹头盖624和保持器夹头622锁定在适当的位置。通常，支腿612和次级反射器604的底座圈614的接触点可在两个沿圆周边缘608设置的狭缝之间对齐。保持器夹头622的支腿906和908可滑过这些狭缝。保持器夹头盖624的腔918和920可在圆周边缘608的下面对齐，以接收突片910和912以及支腿906和908。

图12例示了实施例中若干示例性无线设备和用于与此类无线设备一起使用的示例性天线的元件的比较性增益对频率相应包络线1202、1204、1206和1208。rf信号的频率沿x轴标绘并且增益沿y轴标绘。包络线1202、1204、1206和1208的高度表示为对应的rf信号提供的增益。

频率包络线1202表示具有在5250mhz与5350mhz之间的相应频率的rf信号。rf信号可由设备200生成并且可编码要经由例如无线通信信道114传输的数据。5250mhz与5350mhz之间的差可包括设备200的频带宽度。类似地，频率包络线1204表示有在5725mhz与5825mhz之间的相应频率的rf信号。rf信号可由另一个示例性设备生成并且可编码要经由例如无线通信信道114传输的数据。

频率包络线1206表示根据一个实施例的示例性贴片天线的频率响应。贴片天线为频率范围从5725mhz到5825mhz的rf信号提供8dbi的增益。然而，在该实施例中，贴片天线衰减在该范围外的频率。因此由以频率包络线1202为特征的无线设备产生的rf信号将不通过贴片天线传输。

频率包络线1208表示示例性天线系统的频率响应。在实施例中，示例性天线系统可对应于天线系统600(图6)。天线系统可包括中心馈送组件，该中心馈送组件包括波导-透镜组合500和贴片天线组件300。贴片天线组件可包括具有频率相应包络线1206的贴片天线。天线系统为频率范围从5250mhz到5825mhz的rf信号提供大约28dbi的增益。因此，天线系统在更宽的频率范围上提供增加的增益。

从上述可见，本公开提供了具有提高的机电特性和性能的天线系统。天线系统可包括具有贴片天线组件的中心馈送组件，该贴片天线组件被配置用于将rf信号发射到中心馈送组件的腔中。中心馈送组件设置在碟形天线内并且可被配置用于将辐射的能量引导到次级反射器的反向渐缩的面板上。天线系统可被制造带有相当便宜的部件，包括保持器夹头和配合的保持器夹头盖，以便固定天线组件的部件。天线系统的许多部件可从常规供应商购买并且不必定制生产。这降低天线系统的成本并且简化了天线系统和结合该天线系统的无线通信系统的部署。此类系统也许设置位于遥远的或难以到达的位置并且在没有定制加工工具或其它器材的情况下快速地组装。

因此，本说明书和附图被视作例示性的而非限制性的。然而，明显的是，可对其做出各种修改和改变而不背离如在权利要求中阐明的本发明的精神和范围。